甘肅省地表要素遙感解譯樣本庫建設(shè)與應(yīng)用

張寶安,高小龍,金仔燕,馬蘭花

(甘肅省地圖院,甘肅 蘭州 730000)

目前,各省衛(wèi)星中心均可獲取到大量時相新、覆蓋范圍廣和更新頻次高的國產(chǎn)衛(wèi)星影像,包括資源三號、高分一號、高分二號和高分七號等,僅甘肅省每年覆蓋省域的國產(chǎn)衛(wèi)星影像就多達(dá)6000多景,如何對海量遙感影像進行快速精確識別迫在眉睫?，F(xiàn)有自動解譯方法較人工目視解譯已有了一定進步,但受限于精度和效率,依然無法工程化應(yīng)用,如全國國土三調(diào)90%以上還是依靠人工目視解譯。為了進一步滿足自然資源自動化、智能化管理需求,有必要在深度學(xué)習(xí)框架下對山水林田湖草沙等自然資源要素進行遙感智能解譯。而成功訓(xùn)練一個解譯精度高且泛化能力強的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),需要建立樣例尺寸多樣、樣例類別豐富、類別差異明確、樣例數(shù)據(jù)多、類間數(shù)量平衡的樣本庫,以及一個集成算法模型的業(yè)務(wù)化軟件系統(tǒng)[1]。

樣本數(shù)據(jù)集方面,網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)有很多公開的深度學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)集可供使用。其中,EuroSAT是土地利用和土地覆蓋分類數(shù)據(jù)集,包括10個類別,共有27 000張圖像[2];BigEarthNet是土地覆蓋分類數(shù)據(jù)集,包括19個類別,共有590 326張圖像,涵蓋歐洲10個國家;西北工業(yè)大學(xué)發(fā)布的HRSC2016是用于輪船檢測的專題數(shù)據(jù)集,包含4個大類19個小類,共有2976張圖像,分辨率為0.4～2.0 m;Gaofen Image Dataset是土地利用和土地覆蓋分類數(shù)據(jù)集,來源于150景高分二號影像,涵蓋中國60個城市,覆蓋面積超過50 000 km2;武漢大學(xué)發(fā)布的LuoJiaSET,對當(dāng)前73個開源樣本數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)一處理[3]。文獻[4]對2001—2020年發(fā)布的124個遙感影像樣本庫進行了歸納和綜述,并從元數(shù)據(jù)、分辨率、算法模型和應(yīng)用領(lǐng)域進行了分析。這些樣本數(shù)據(jù)集均可以用于深度學(xué)習(xí)遙感解譯,但還存在一些問題:①分類體系不統(tǒng)一,樣本類型不足,導(dǎo)致相同地類采集指標(biāo)不同而無法擴充樣本庫;②樣本數(shù)量少,分布不均勻,導(dǎo)致泛化能力弱;③公開樣本集樣本純凈度不高;④樣本無空間信息。現(xiàn)有的遙感影像解譯樣本分類體系和樣本數(shù)據(jù)集,既無法完整反映甘肅省復(fù)雜的地理環(huán)境,也不能完全涵蓋甘肅省自然資源地表要素。

業(yè)務(wù)化軟件方面,吉威數(shù)源的SmartRS、航天宏圖的PIE-AI、阿里巴巴達(dá)摩院的AIEarth和商湯的SenseEarth都實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)智能解譯全流程,提供目標(biāo)檢測、要素提取、影像分類、變化檢測等服務(wù),但受限于自然資源業(yè)務(wù)化規(guī)則,還無法被應(yīng)用于調(diào)查監(jiān)測和基礎(chǔ)測繪更新等一線生產(chǎn)中。相關(guān)算法模型均已嵌入系統(tǒng)中,用戶無法參與改進。模型庫標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠,不同行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型不能共享互通[5]。

本文以多年度遙感影像和地理國情數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,在制定甘肅省自然資源地表典型要素遙感解譯樣本分類體系的基礎(chǔ)上,建設(shè)甘肅首個顧及全省地形地貌分區(qū)的多尺度遙感解譯樣本庫,研究建立自動化、分布式多源遙感信息解譯系統(tǒng)。

1 方 法

首先按照已有分類體系,構(gòu)建符合甘肅省情的遙感解譯分類體系;其次根據(jù)地理特點、地物類型和樣本數(shù)量選取樣本標(biāo)注區(qū)域;然后基于遙感影像及對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)采集樣本,自動構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集;最后利用地物分類和變化檢測模型進行智能解譯和變化發(fā)現(xiàn),形成“樣本-模型-知識”的樣本庫建設(shè)方法。方法流程如圖1所示。

圖1 遙感解譯樣本庫建設(shè)流程

1.1 地表典型要素遙感解譯樣本分類體系構(gòu)建

甘肅省內(nèi)擁有高山地、山地、平川、河谷、沙漠和戈壁等多種地貌,針對現(xiàn)有分類體系不能有效涵蓋甘肅省地表要素問題,需要重新對已有內(nèi)容與指標(biāo)進行歸類或拆分。分類體系要與當(dāng)前自然資源管理要求相適宜,滿足生態(tài)文明建設(shè)和國土空間規(guī)劃的要求,采用開放框架,注意樣本類型全面性,對于可能出現(xiàn)的新地類,都能納入相應(yīng)分類體系中。

綜合考慮國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)地物識別能力及多種土地分類標(biāo)準(zhǔn),如《地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)》(GDPJ01—2013)、《基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測內(nèi)容與指標(biāo)》(CH/T9029—2019)、《基礎(chǔ)測繪DLG要素分類分層與編碼》《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)和《國土空間調(diào)查、規(guī)劃、用途管制用地用海分類指南》[6]。基于深度學(xué)習(xí)的地物類型劃分既要結(jié)合遙感數(shù)據(jù)源的光譜紋理信息,又要考慮其通用性及與其他土地分類體系之間的轉(zhuǎn)換能力[7]。相比而言,地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)采集原則為“所見即所得”,因此以地理國情普查和監(jiān)測分類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),結(jié)合遙感影像的特征和地物要素的可識別性,將同種類別合并,并單獨劃分可區(qū)分的重要類別,形成適用于遙感自動解譯的分類體系,包括全要素樣本、單要素樣本和地表變化樣本,并對每類地物定義分類標(biāo)準(zhǔn)及紋理特征。

(1)全要素樣本:對不同分類體系在遙感影像上顯示相同紋理的地類進行合并,刪除地類內(nèi)部要素復(fù)雜的圖斑,如地理國情普查中構(gòu)筑物一級類中的碾壓踩踏地表,按照定義在其范圍內(nèi)包括多種要素,因此不適宜當(dāng)作樣本。經(jīng)過整理后,全要素樣本包括10大類:耕地、園地、林地、草地、房屋建筑區(qū)、路面、硬化地表、動(推)土、荒漠裸露地表和水面,該樣本數(shù)據(jù)集主要用于土地利用分類。

(2)單要素樣本:以地理國情普查和監(jiān)測分類為參考,按照業(yè)務(wù)需求,將獨立房屋建筑、露天體育場、堤壩、公路、水體、溫室大棚、光伏用地、水渠和冰川積雪等為單要素樣本,該樣本數(shù)據(jù)集主要用于專題要素提取。

(3)地表變化樣本:地表變化分為兩類,一類是通用變化檢測,即不定性,只表示變化范圍;另一類是定性變化檢測,包括新增/滅失耕地、新增/滅失建筑、新增/滅失路面、新增/滅失推填土、新增/滅失林草地、新增/滅失園地等。

1.2 顧及地理地貌分區(qū)的遙感解譯樣本選取標(biāo)準(zhǔn)

甘肅地域遼闊、東西跨度大,相同地物在不同區(qū)域形態(tài)差異較大,擁有不同的地表特征,如河西走廊區(qū)的旱地多位于平地,地塊規(guī)整集中,而隴中、隴東和隴南的旱地多位于山地,地塊不規(guī)則且零散,因此不同區(qū)域之間的樣本混合學(xué)習(xí)會導(dǎo)致模型訓(xùn)練效果差[8]。針對此問題,引入地理地貌分區(qū)概念,通過對甘肅現(xiàn)有地貌分區(qū)進行分析,沿用并適當(dāng)調(diào)整國土三調(diào)中的地貌區(qū)劃分方法,將甘肅省共分為5部分,分別是河西走廊區(qū)、隴中黃土丘陵區(qū)、隴東黃土旱塬區(qū)、甘南高原區(qū)和隴南秦巴山區(qū)。因此在省域的大尺度樣本庫的基礎(chǔ)上,以5大地貌分區(qū)分別構(gòu)建中尺度樣本數(shù)據(jù)集。綜合考慮每個地貌分區(qū)的地域特點和地表覆蓋類型,選擇具有代表性的縣區(qū)作為樣本采集區(qū)域,即該縣區(qū)訓(xùn)練的模型在同地貌分區(qū)的其他縣區(qū)也適用。如果條件允許,也可在每個縣區(qū)采集樣本,樣本數(shù)量達(dá)到訓(xùn)練要求后構(gòu)建小尺度樣本數(shù)據(jù)集。每個樣本選取區(qū)域應(yīng)具有地物多樣性,即最大程度涵蓋自然資源典型要素,不同類別要素之間應(yīng)存在明顯的差異。

1.3 基于歷史成果的樣本集構(gòu)建方法

基于歷史成果數(shù)據(jù)制作樣本采集成果,包括樣本影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù),通過自動化裁切方法制作樣本瓦片成果,包括影像瓦片、標(biāo)簽瓦片,且記錄樣本知識特征,入庫后形成多類型、多屬性、多尺度的甘肅省遙感解譯樣本庫。

(1)樣本采集成果。地物分類和提取模型訓(xùn)練需要大量的、種類豐富的樣本,應(yīng)最大限度利用已有數(shù)據(jù)[9]。首先將不同分類體系的測繪成果按照編碼對照統(tǒng)一歸入新的遙感解譯分類體系中,且在樣本采集時也按照三級類采集,通過編碼對照將二級類或三級類歸入全要素樣本和單要素樣本中,新增要素可增加編碼按需擴展入庫。然后進行交互式采集,樣本采集原則包括:最大最小范圍原則,最大指影像范圍內(nèi)的樣本要完整,即要保持完整邊界,最小指樣本內(nèi)部特征唯一,無雜質(zhì)干擾;“寧無不錯”原則,刪除影像質(zhì)量不好、對樣本識別和可分性帶來干擾的影像區(qū)域;“所見即所得”原則,即如實反映客觀情況。

地表變化樣本采集時,要求前后影像分辨率接近,空間坐標(biāo)系一致,影像上相同地物位置完全套合?；诘仡愖兓O(jiān)測數(shù)據(jù),保留可用于制作變化檢測樣本的數(shù)據(jù),若無地類變化監(jiān)測數(shù)據(jù),通過兩期影像上的比較,找到符合要求的變化范圍明顯的區(qū)域,如建筑滅失、道路拓寬等,將變化區(qū)域和未變化區(qū)域分別采用像素級別標(biāo)注[10]。

(2)樣本瓦片成果。影像數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)按照規(guī)范組織好后,通過分布式自動裁剪程序制作瓦片樣本,包括影像瓦片、標(biāo)簽瓦片及瓦片元數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)不同的算法滿足圖片大小的要求,且還考慮邊緣特征、局部特征和整體特征等,樣例盡可能體現(xiàn)地物的全部特征。樣本切片尺寸大小根據(jù)數(shù)據(jù)情況自定義,主要有1024×1024、512×512、256×256像素。同時,可通過設(shè)置重疊度和旋轉(zhuǎn)角度擴充樣本數(shù)量。

(3)樣本知識特征。樣本元數(shù)據(jù)主要記錄樣本知識特征,按照3個維度描述:①按樣本類型(全要素、單要素、地表變化樣本等);②按影像屬性(數(shù)據(jù)源、成像時間、傳感器、空間分辨率等);③按樣本空間尺度(大尺度-省域、中尺度-地貌分區(qū)和小尺度-縣域),實現(xiàn)樣本特征多維信息組織與存儲[11]。

1.4 基于深度學(xué)習(xí)的智能解譯與變化檢測模型訓(xùn)練

1.4.1 顧及多層次的要素智能解譯方法

顧及多層次要素智能解譯方法的思路是在訓(xùn)練端多模型解譯時,首先對總體樣本集進行特征抽取,然后根據(jù)抽取的特征進行聚類,分別對N個樣本子集進行訓(xùn)練,得到N個模型。解譯端待解譯的影像,首先通過特征提取選擇與子模型中相似的若干模型,然后使用若干個模型進行解譯,加權(quán)得到解譯結(jié)果。針對每個模型,采用遙感影像智能解譯模型的層次認(rèn)知方法,實現(xiàn)遙感影像從數(shù)據(jù)到場景級別的智能解譯。

基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的高分辨率遙感影像層次認(rèn)知方法主要包括3部分:像素級語義分割、目標(biāo)級語義分割,以及場景約束級語義分割。像素級語義分割綜合考慮尺度、感受視野、先驗知識融合及網(wǎng)絡(luò)所占GPU顯存等方面因素,實現(xiàn)語義分割任務(wù)“端對端”優(yōu)化;目標(biāo)級語義分割側(cè)重研究遙感影像中的目標(biāo)特征不變?nèi)谌胝Z義分割框架,實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)不變因素的抵抗;場景約束級語義分割主要目的是融入大范圍的場景信息,提高遙感影像語義分割結(jié)果的可靠性[12]。

1.4.2 語義信息增強的變化檢測技術(shù)

語義信息增強的變化檢測思路為:首先采用面向?qū)ο筮M行變化檢測,然后基于全卷積孿生拼接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(FCSCN)提取變化圖斑,將兩種方法融合使得變化信息提取的同時具有較高的查全率和查準(zhǔn)率。

(1)基于語義信息的面向?qū)ο笞兓瘷z測。首先采用面向?qū)ο蟮淖兓瘷z測方法對兩期影像進行分割,獲取分割對象的語義信息和上下文特征;然后通過最大類間方差得到二值化變化置信度圖;最后輸出變化圖斑。影像分割使用超像素代替像素進行分析,使最后得到的變化圖斑更符合實際地物的輪廓。

(2)基于FCSCN端對端變化信息提取。對稱編碼-解碼的拼接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(FCSCN)由全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FCN)和孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Siam)組成,基于變化檢測樣本進行模型訓(xùn)練,直接提取兩期影像的變化信息,從而實現(xiàn)端到端的變化檢測。在編碼操作時,基于權(quán)值共享的孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),分層逐步提取兩期變化影像特征。在解碼操作時,將當(dāng)前的特征與對應(yīng)的編碼特征融合,采用上采樣技術(shù)分層逐步解碼,在上述編碼與解碼雙重耦合作用下,得到變化圖斑。

2 樣本管理與智能解譯系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

在上述方法基礎(chǔ)上,建立甘肅省遙感解譯樣本庫平臺,包括樣本管理與智能解譯兩個分系統(tǒng)。樣本管理系統(tǒng)可對多類型、多屬性、多尺度樣本數(shù)據(jù)進行集成管理與動態(tài)維護,智能解譯系統(tǒng)可以實現(xiàn)大范圍遙感影像高精度解譯與變化檢測。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖2所示。

圖2 甘肅省遙感解譯樣本庫平臺總體架構(gòu)

應(yīng)用平臺架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層4個層次。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層: 軟件環(huán)境部署分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫等軟件環(huán)境。硬件設(shè)備采用數(shù)據(jù)中心云操作系統(tǒng)并配備高性能GPU計算資源。針對遙感智能解譯算法的多核并行任務(wù)調(diào)度需求,研發(fā)了CPU+GPU異構(gòu)多核混合并行調(diào)度方法,采取了使邏輯控制、串行運算的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度CPU計算節(jié)點、計算密集型大規(guī)模并發(fā)任務(wù)優(yōu)先調(diào)度GPU計算的方法,極大提高了計算資源的綜合使用效率。

(2)數(shù)據(jù)存儲層:提供數(shù)據(jù)的存儲、擴展與維護能力。樣本數(shù)據(jù)存儲于分布式數(shù)據(jù)庫HBase中,數(shù)據(jù)標(biāo)簽功能采用ElasticSearch搜索服務(wù)器,元數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫postgreSQL中。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)層:支持導(dǎo)入公開遙感樣本數(shù)據(jù)集,支持樣本的多維語義查詢,通過傳感器、時間、空間位置、地物類型和空間分辨率進行檢索。在樣本數(shù)據(jù)服務(wù)中,系統(tǒng)通過歸納總結(jié)不同影像各地類的光譜、紋理、形狀、拓?fù)涞葘傩蕴卣?設(shè)定、配置有關(guān)特征規(guī)則與調(diào)整參數(shù),實現(xiàn)智能解譯與變化檢測過程的簡易化操作[13]。

(4)應(yīng)用層:搭建Web端樣本庫平臺,提供樣本的錄入、校驗、多維語義查詢、數(shù)據(jù)獲取、可視化、樣本分析與應(yīng)用功能服務(wù)[14]。

3 應(yīng) 用

基于云上物理資源和邏輯資源的樣本管理與智能解譯系統(tǒng),在5大地貌區(qū)選擇18縣區(qū)作為樣本采集區(qū)域,在每個樣本采集區(qū)域采集全要素、單要素和變化檢測樣本。經(jīng)過裁切后,全要素樣本有270.5萬個,單要素樣本有20.4萬個,變化檢測樣本有8.1萬個?；跇颖局谱?模型訓(xùn)練-智能解譯-質(zhì)量評估的遙感智能解譯流程開展不同尺度的工程化應(yīng)用,在大尺度省域范圍上開展了省級基礎(chǔ)測繪更新;在中尺度區(qū)域范圍上開展了城市國土空間監(jiān)測;在小尺度縣域范圍上開展了非農(nóng)化監(jiān)測。

3.1 省級基礎(chǔ)測繪更新

2023年甘肅省省級基礎(chǔ)測繪已從覆蓋生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到要素變化更新,而首要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)哪里有變化。首先基于樣本庫的單要素解譯對建筑物、道路、水體和光伏發(fā)電裝置進行自動提取,然后套合已有DLG,通過空間分析技術(shù)判別變化范圍,重點關(guān)注城鎮(zhèn)區(qū)域、道路兩側(cè)、河道附近等人類活動頻繁地區(qū)。選取平?jīng)?、慶陽、天水、隴南4市州為研究區(qū),變化發(fā)現(xiàn)圖斑分布如圖3所示,對比目視解譯結(jié)果,大部分變化范圍都可以提取。然后通過定量方法對解譯結(jié)果進行精度評價(見表1)。其中,定量精度評價采用查全率和查準(zhǔn)率表示(A代表人工解譯結(jié)果,B代表智能解譯結(jié)果)?？梢钥闯?重點要素自動提取查全率達(dá)97%,查準(zhǔn)率達(dá)90%。

表1 定量精度評價(%)

圖3 變化發(fā)現(xiàn)圖斑分布

3.2 城市國土空間監(jiān)測

通過利用多尺度融合全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建筑物和道路提取方法,在2022年城市國土空間監(jiān)測項目中,選取永昌縣作為試驗區(qū),數(shù)據(jù)源為高分二號影像,提取了城區(qū)內(nèi)房屋建筑[15],且對路網(wǎng)進行更新[16],后處理時通過規(guī)則化算法對結(jié)果進行了修正,永昌縣城區(qū)房屋建筑和路網(wǎng)自動提取結(jié)果如圖4—圖5所示。

圖4 永昌縣房屋建筑提取結(jié)果

圖5 永昌縣路網(wǎng)提取結(jié)果

3.3 “非農(nóng)化”監(jiān)測

“非農(nóng)化”主要表現(xiàn)為耕地變林地、建設(shè)用地、水面、道路、推填土等。選擇古浪縣泗水鎮(zhèn)為試驗區(qū),在甘肅省遙感解譯樣本庫中篩選達(dá)到高精度模型訓(xùn)練要求的“非農(nóng)化”樣本數(shù)據(jù)集,通過構(gòu)建的耕地“非農(nóng)化”樣本體系和樣本庫訓(xùn)練所得的深度學(xué)習(xí)模型[17],選取2015和2023年0.8 m遙感影像,自動識別耕地發(fā)生變化的疑似“非農(nóng)”圖斑,共356個;通過目視解譯和外業(yè)檢核兩種方式,對自動識別出的“非農(nóng)”圖斑進行精度驗證,選用查全率和查準(zhǔn)率定量評價精度,計算得到精度評價結(jié)果(見表2)?？梢钥闯?基于目視解譯方法的查準(zhǔn)率為74.4%,查全率95.7%;基于外業(yè)核查方法的查準(zhǔn)率為77.8%,全率為93.3%。

表2 基于目視解譯和外業(yè)核查點精度評價

4 結(jié) 語

本文圍繞甘肅省自然資源地表要素樣本的類別細(xì)分,建立了適于甘肅特色的典型要素遙感解譯樣本分類體系,并以此為基礎(chǔ),分步、分層建設(shè)甘肅首個地表典型要素遙感解譯樣本庫,樣本數(shù)量達(dá)300萬個以上,時相為2013—2023年,樣本空間分辨率為0.1～2.0 m。樣本庫涵蓋甘肅地表各類型地物,樣本類型精細(xì),具有較高的類內(nèi)多樣性和較低的類間可分離性,并可根據(jù)業(yè)務(wù)需要進行統(tǒng)一和擴展。樣本基于不同地貌分區(qū)均勻選取樣本制作區(qū)域,更能符合甘肅省地物遙感解譯的需求。在樣本和算法上均不同程度地考慮了空間位置、分辨率、傳感器、季節(jié)特征等圖像差異,使得模型泛化性更強。

樣本庫平臺集成了顧及多層次的要素智能解譯模型和語義信息增強的變化檢測模型,還提供了其他模型、算法接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型和算法開源生態(tài)。依據(jù)甘肅本省地方和業(yè)務(wù)特色,將樣本規(guī)則建立與業(yè)務(wù)適配模式融合,推進了技術(shù)轉(zhuǎn)化工程的應(yīng)用。下一步將不斷擴充樣本,為相關(guān)科研院所提供高質(zhì)量樣本服務(wù),同時在自然資源管理工作中發(fā)揮支撐作用。